CN101465259B - 场发射电子器件 - Google Patents

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Abstract

一种场发射电子器件，其包括：一绝缘基底；多个行电极引线与列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上，该多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，每两个相邻的行电极引线与两个相邻的列电极引线形成一个网格，行电极引线与列电极引线之间电绝缘；多个电子发射单元，每个电子发射单元对应一个网格设置，每个电子发射单元进一步包括间隔设置的一阴极电极与一阳极电极，且该阳极电极和阴极电极分别与上述行电极引线与列电极引线电连接，以及一阴极发射体，该阴极发射体与阴极电极电连接，且与阳极电极间隔设置。

Description

场发射电子器件
技术领域
本发明涉及一种场发射电子器件，尤其涉及一种大面积场发射电子器件。
背景技术
场发射电子器件在低温或者室温下工作，与电真空器件中的热发射电子器件相比具有功耗低、响应速度快以及低放气等优点，因此用场发射电子器件有望替代电真空器件中的热发射电子器件。大面积场发射电子器件在大屏幕显示器等装置中有着广阔的应用前景，因此，制备大面积场发射电子器件成为目前研究的一个热点。
请参阅图1，现有技术中提供一种大面积场发射电子器件100，包括一绝缘基底102，多个电子发射单元120设置于该绝缘基底102上，以及多个行电极引线104与多个列电极引线106设置于该绝缘基底102上。其中，所述的多个行电极引线104与多个列电极引线106分别平行且等间隔设置于绝缘基底102上。所述多个行电极引线104与多个列电极引线106相互交叉设置，且在行电极引线104与列电极引线106交叉处由一介质绝缘层116隔离，以防止短路。每两个相邻的行电极引线104与两个相邻的列电极引线106形成一网格118，且每个网格118定位一个电子发射单元120。
所述多个电子发射单元120按照预定规律排列，间隔设置于上述网格118中，且每个网格118中设置一个电子发射单元120。每个电子发射单元120包括一行电极110，一列电极112以及一电子发射体108设置于该行电极110与列电极112上。该行电极110与列电极112对应且间隔设置。该电子发射体108两端分别与行电极110和列电极112电连接。每个行电极110分别和与其对应的行电极引线104电连接，每个列电极112分别和与其对应的列电极引线106电连接。
所述的电子发射体108包括一电子发射区114。该电子发射区114位于电子发射体108上，且该电子发射区114包括一个或数个间隙用于发射电子，通常所述间隙是自发断裂形成的。所述的电子发射体108为一包含金属化合物(如：氧化钯等)的导电薄膜(请参见，表面传导电子发射显示技术进展，液晶与显示，牟强等，V21，P226-231(2006))。当在电子发射体108的两端加上适当的电压时，由于隧道效应，电子将从电子发射体108的电子发射区114的间隙的一端飞向另一端，从而实现电子发射。然而，采用包含金属化合物的导电薄膜作为电子发射体108的大面积场发射电子器件100在工作时，流过电子发射体108的电流较大，所以发射电子的功耗大。同时，对该电子发射体108的激活需要较高的电压和较长的时间。另外，由于间隙是自发断裂形成的，对电子发射体108进行激活形成电子发射区114时，难以精确控制电子发射区114的形状和位置，所以电子发射体108的电子发射特性有差异，从而导致发射的电子整体均匀性较差。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种功耗低，发射的电子整体均匀性好的大面积场发射电子器件。
一种场发射电子器件，其包括：一绝缘基底；多个行电极引线与列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上，该多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，每两个相邻的行电极引线与两个相邻的列电极引线形成一个网格，行电极引线与列电极引线之间电绝缘；多个电子发射单元，每个电子发射单元对应一个网格设置，每个电子发射单元进一步包括间隔设置的一阴极电极与一阳极电极，且该阳极电极和阴极电极分别与上述行电极引线与列电极引线电连接，以及从一碳纳米管阵列拉取获得一碳纳米管膜，该碳纳米管膜中包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管，将该碳纳米管膜铺设覆盖于每一阴极电极与每一阳极电极，切割碳纳米管膜，使阳极电极与阴极电极之间的碳纳米管膜断开，形成多个平行排列的碳纳米管线固定于阴极电极上作为一阴极发射体，所述阴极发射体平行于阴极电极的上表面，该阴极发射体与阴极电极电连接，且与阳极电极间隔设置。
相较于现有技术，所述的场发射电子器件中，由于所述阴极发射体的一端与阴极电极电连接，另一端与阳极电极间隔设置，故该场发射电子器件在工作时，阴极电极与阳极电极之间不会形成漏电流，所以功耗低。而且，该场发射电子器件中，多个阴极发射体之间的行距相等，多个阴极发射体之间的列距也相等，且每个阴极发射体远离阴极电极的一端与阳极电极之间的间隔相等，所以发射的电子整体均匀性好。
附图说明
图1为现有技术中的场发射电子器件的俯视图。
图2为本发明实施例的场发射电子器件的俯视图。
图3为本发明实施例的场发射电子器件的侧视图。
图4为本发明实施例的场发射电子器件的电子发射单元的光学显微照片。
图5为本发明实施例的场发射电子器件的场发射性能测试的I-V曲线。
图6为本发明实施例的场发射电子器件的场发射性能测试的F-N曲线。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的场发射电子器件作进一步的详细说明。
请参阅图2及图3，本发明实施例提供一种场发射电子器件200，包括一绝缘基底202，多个电子发射单元220设置于该绝缘基底202上，以及多个行电极引线204与多个列电极引线206设置于该绝缘基底202上。所述多个行电极引线204与列电极引线206分别平行且等间隔设置于绝缘基底202上。所述多个行电极引线204与多个列电极引线206相互交叉设置，而且，在行电极引线204与列电极引线206交叉处设置有一介质绝缘层216，该介质绝缘层216将行电极引线204与列电极引线206电隔离，以防止短路。每两个相邻的行电极引线204与两个相邻的列电极引线206形成一网格214，且每个网格214定位一个电子发射单元220。
所述多个电子发射单元220对应设置于上述网格214中，且每个网格214中设置一个电子发射单元220。每个电子发射单元220包括一阳极电极210，一阴极电极212，以及一阴极发射体208。该阳极电极210与阴极电极212对应且间隔设置。该阴极发射体208设置于阳极电极210与阴极电极212之间，且，阴极发射体208一端与阴极电极212电连接，另一端指向阳极电极210。该阴极发射体208可与绝缘基底202间隔设置或直接设置于绝缘基底202上。其中，当阴极发射体208与绝缘基底202间隔设置，可以增强阴极发射体208的场发射能力。本实施例中，同一行的电子发射单元220中的阳极电极210与同一行电极引线204电连接，同一列的电子发射单元220中的阴极电极212与同一列电极引线206电连接。
所述的绝缘基底202为一绝缘基板，如陶瓷基板、玻璃基板、树脂基板、石英基板等。所述绝缘基底202的大小与厚度不限，本领域技术人员可以根据实际需要选择。本实施例中，所述绝缘基底202优选为一玻璃基板，其厚度大于1毫米，边长大于1厘米。
所述行电极引线204与列电极引线206为导电体，如金属层等。本实施例中，该多个行电极引线204与多个列电极引线206优选为采用导电浆料印制的平面导电体，且该多个行电极引线204的行间距为50微米～2厘米，多个列电极引线206的列间距为50微米～2厘米。该行电极引线204与列电极引线206的宽度为30微米～100微米，厚度为10微米～50微米。本实施例中，该行电极引线204与列电极引线206的交叉角度为10度到90度，优选为90度。本实施例中，可通过丝网印刷法将导电浆料印制于绝缘基底202上制备行电极引线204与列电极引线206。该导电浆料的成分包括金属粉、低熔点玻璃粉和粘结剂。其中，该金属粉优选为银粉，该粘结剂优选为松油醇或乙基纤维素。该导电浆料中，金属粉的重量比为50～90％，低熔点玻璃粉的重量比为2～10％，粘结剂的重量比为8～40％。
所述阴极电极212与阳极电极210为导电体，如金属层等。本实施例中，该阴极电极212与阳极电极210均为平面导电体，其尺寸依据网格214的尺寸决定。该阴极电极212和阳极电极210直接与上述电极引线连接，从而实现电连接。所述阴极电极212与阳极电极210的长度为20微米～1.5厘米，宽度为30微米～1厘米，厚度为10微米～500微米。优选地，所述阴极电极212与阳极电极210的长度为100微米～700微米，宽度为50微米～500微米，厚度为20微米～100微米。本实施例中，该阴极电极212与阳极电极210的材料为导电浆料，通过丝网印刷法印制于绝缘基底202上。该导电浆料的成分与上述电极引线所用的导电浆料的成分相同。
所述阴极发射体208包括多个平行且等间隔排列的电子发射体218，如：硅线、碳纳米管、碳纤维及碳纳米管线等中的一种或多种。而且，每个电子发射体218包括一电子发射端222，该电子发射端222为电子发射体218远离阴极电极212的一端。请一并参阅图4，本实施例中，阴极发射体208包括多个平行排列的碳纳米管线。采用多个平行排列的碳纳米管线作为阴极发射体208时，每个碳纳米管线的一端与阴极电极212电连接，另一端指向阳极电极210，作为电子发射体218的电子发射端222。该电子发射端222与阳极电极210之间的距离为1微米～1000微米。该阴极发射体208一端与阴极电极212的电连接方式可以为通过一导电胶电连接，也可以通过分子间力或者其他方式实现。该碳纳米管线的长度为10微米～1厘米，且相邻的碳纳米管线之间的间距为1微米～1000微米。该碳纳米管线包括多个沿碳纳米管长度方向排列的碳纳米管。具体地，该碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。所述碳纳米管线中的碳纳米管包括单壁、双壁及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述碳纳米管的长度范围为10微米～100微米，且碳纳米管的直径小于15纳米。
本实施例中的阴极发射体208的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，提供至少一个碳纳米管膜。
所述碳纳米管膜从一碳纳米管阵列拉取获得。该碳纳米管膜中包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请“碳纳米管薄膜结构及其制备方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。
步骤二，将该碳纳米管膜铺设覆盖于多个电极210，212上。
可以理解，当将至少两个碳纳米管薄膜重叠铺设于多个电极210，212上时，相邻两个碳纳米管膜中的碳纳米管排列方向相同。将碳纳米管膜铺设覆盖于上述电极210，212上时，要确该保碳纳米管膜中的碳纳米管排列方向从阴极电极212向阳极电极210延伸。本实施例中，由于在后续步骤中要将碳纳米管膜加工成多个平行且等间隔排列的碳纳米管线，因此，碳纳米管膜的层数不易太多，优选为1～5层。
最后，切割碳纳米管膜，使阳极电极210与阴极电极212之间的碳纳米管膜断开，形成多个平行排列的碳纳米管线固定于阴极电极212上作为阴极发射体208。
所述切割碳纳米管薄膜结构的方法为激光烧蚀法、电子束扫描法或加热熔断法。本实施例中，优选采用激光烧蚀法切割碳纳米管膜，具体包括以下步骤：
首先，采用一定宽度的激光束沿着每个行电极引线204进行扫描，去除不同行的电极之间的碳纳米管膜，使得留下的碳纳米管膜仅设置于同一行的阴极电极212与阳极电极210之上。
其次，采用一定宽度的激光束沿着每个列电极引线206进行扫描，去除列电极引线206与相邻阳极电极210之间的碳纳米管膜，并使得同一网格214中的阴极电极212与阳极电极210之间的碳纳米管膜与阳极电极210断开。该步骤中，在碳纳米管膜的断裂处会形成多个电子发射端222，且电子发射端222与阳极电极210之间形成一间隔。
本实施例中，所用的激光束的功率为10～50瓦，扫描速度为10～1000毫米/分钟。所述激光束的宽度为100微米～400微米。
另外，该场发射电子器件200的每个电子发射单元220可以进一步包括一固定件224设置于阴极电极212上，且该固定件224将阴极发射电极208固定于阴极电极212上。其中，固定件224可由导电材质构成。
请参阅图5，对本发明实施例提供的场发射电子器件200的场发射性能测试结果表明，当电压大于110V时，该场发射电子器件200开始发射电子。当电压为150V时，该场发射电子器件200的场发射电流为700nA。每个电子发射单元220的功耗为105微瓦。请参阅图6，表明该场发射电子器件200的电子发射为场致发射。
本发明实施例提供的场发射电子器件200中，阴极发射体208的一端与阴极电极212电连接，另一端与阳极电极210间隔设置，所以，该场发射电子器件200工作时，阴极电极212与阳极电极210之间不会形成漏电流，所以功耗低。而且，该大面积场发射电子器件200中，多个阴极发射体208之间的行距相等，多个阴极发射体208之间的列距也相等，且每个阴极发射体208远离阴极电极212的一端与阳极电极210之间的间隔相等，每个阴极发射体208包括多个平行且等间隔设置的电子发射体218，所以发射的电子整体均匀性好。进一步，通过减小电子发射端222与阳极电极210之间的距离，或增加阴极发射体208悬空部分的长度可以减小场发射电子器件200开启电压。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种场发射电子器件，其包括：
一绝缘基底；
多个行电极引线与列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上，该多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，每两个相邻的行电极引线与两个相邻的列电极引线形成一个网格，行电极引线与列电极引线之间电绝缘；
多个电子发射单元，每个电子发射单元对应一个网格设置，每个电子发射单元进一步包括间隔设置的一阴极电极与一阳极电极，且该阳极电极和阴极电极分别与上述行电极引线与列电极引线电连接，以及一阴极发射体，该阴极发射体与阴极电极电连接；
其特征在于，所述阴极发射体与阳极电极间隔设置，从一碳纳米管阵列拉取获得一碳纳米管膜，该碳纳米管膜中包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管，将该碳纳米管膜铺设覆盖于每一阴极电极与每一阳极电极，切割碳纳米管膜，使阳极电极与阴极电极之间的碳纳米管膜断开，形成多个平行排列的碳纳米管线固定于阴极电极上作为所述阴极发射体，所述阴极发射体平行于阴极电极的上表面。
2.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述阴极发射体包括两端，且一端与阴极电极电连接，另一端与阳极电极间隔设置。
3.如权利要求2所述的场发射电子器件，其特征在于，所述阴极发射体远离阴极电极的一端指向阳极电极。
4.如权利要求2所述的场发射电子器件，其特征在于，所述阴极发射体远离阴极电极的一端与阳极电极之间的间距大于等于1微米且小于等于1000微米。
5.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述阴极发射体与绝缘基底间隔设置。
6.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述每个碳纳米管线作为阴极发射体的一个电子发射体。
7.如权利要求6所述的场发射电子器件，其特征在于，所述电子发射体之间的间距为1微米～1000微米。
8.如权利要求6所述的场发射电子器件，其特征在于，所述电子发射体包括一电子发射端，且该电子发射端为电子发射体远离阴极电极的一端。
9.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个首尾相连的碳纳米管。
10.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述碳纳米管的长度为10微米～100微米，直径小于15纳米。
11.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述行电极引线与列电极引线交叉处设置有一介质绝缘层。
12.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述多个电子发射单元对应网格设置成一阵列，且设置于同一行的电子发射单元的阳极电极与同一个行电极引线电连接，设置于同一列的电子发射单元的阴极电极与同一个列电极引线电连接。
13.如权利要求1所述的场发射电子器件，其特征在于，所述每个电子发射单元进一步包括一固定件位于阴极电极上。
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